Автономные поселения в открытом космосе

[LonelyWanderer]

при условии одинаковых нагрузок на трос

Мы как то забыли про форму типа гантелей или цилиндра О'Нейла например.

Цилиндр, это упрощённо вращающийся трос, соединённый концами в кольцо. Я уже выяснил, что с этой схемой ничуть не лучше дела обстоят, чем с пращой.
Кроме того, на стенки цилиндра кроме собственного веса стенок и полезного груза будет ещё давить сила в 10 тонн на м² (атмосферное давление). Итого стальной цилиндр даже в километр диаметром - сильно оптимистично.

[crazy_terraformer]

Кроме того, на стенки цилиндра кроме собственного веса стенок и полезного груза будет ещё давить сила в 10 тонн на м² (атмосферное давление). Итого стальной цилиндр даже в километр диаметром - сильно оптимистично.

Товарищи из NASA и ряда др. научных организаций сократили давление до 0,5 бар за счёт снижения доли азота и увеличения доли кислорода и CO₂. Вероятно можно ещё уменьшить долю азота.
Стэнфордский тор
Масса: 10 млн.тонн (радиационный щит (95%), поселение, и атмосфера).
Диаметр тора: 1км 790 метров.
Диаметр обитаемой трубы: 130 метров.
Полые спицы: 6 штук 15 метров в диаметре
Вращение: 1 revolution per minute
Радиационный щит: 1,7 метра необработанного лунного грунта

Цилиндр О’Нилла представлял собой два очень больших, вращающихся в противоположных направлениях, цилиндра, каждый по 5 миль (8 километров) в диаметре и 20 миль (32 километра) в длину, связанные друг с другом с концов штоками через систему подшипников. Каждый цилиндр имеет шесть равных участков полос по длине цилиндра; три окна, три «страны». Более того, внешние сельскохозяйственные кольца, 10 миль (16 км) радиусом, вращаются с разными скоростями в целях ведения разных видов сельского хозяйства. Станцию планировалось обеспечивать атмосферой с давлением, равным половине земного, и состоящей из 40 % кислорода и 60 % азота. Такое давление позволяло сохранить воздух и уменьшить нагрузку на стены. В этом масштабе воздух внутри цилиндра обеспечивает адекватное ограждение против космических лучей.

Интересно, сколько надо массы для противорадиационного щита на кв.метр за пределами магнитосферы Земли?

[snickers]

Итого стальной цилиндр даже в километр диаметром - сильно оптимистично.

USS Nimitz  - длина 332,8 м  При попадании скажем так носа и кормы судна на гребни волн во время шторм средина судна оказывается как бы "подвешенной" и наоборот, про попадании центра корабля, корма и нос "провисают". На них тут же на всю катушку действует сила гравитации в 1G , это без учета колоссальных сил деформации от ударов самих волн и ураганного ветра.
 Что бы кто то не думал что это "мелочь"
 Фото морды авианосца времен WW попавшего под удар тайфуна на тихом океане.

Супертанкер Knock Nevis имел длину 458,45 м. Эти корабли имеют толщину каркаса и бортов не метры стали а максимум десятки сантиметров. И они не разваливаются.  Я не скажу что расчеты неправильные. Просто что то не то считали. Например зачем считать "всю" массу атмосферы при тяжести в 1G ? Чем "выше от поверхности" тора тем сила тяжести меньше, значить расчет давления атмосферы при 1 G уже не верен. Итак можно найти много чего. Например

Масса: 10 млн.тонн (радиационный щит (95%)

  Вот нафига считать радиационную защиту? Ведь ее не надо раскручивать. Абсолютно ничто не мешает сделать тор по принципу "камера в покрышке". Внутри невращаемой "антирадиационной покрышки" на небольшом от нее расстоянии может вращаться уже сам тор. И там во многом.

[crazy_terraformer]

Масса: 10 млн.тонн (радиационный щит (95%)

  Вот нафига считать радиационную защиту? Ведь ее не надо раскручивать. Абсолютно ничто не мешает сделать тор по принципу "камера в покрышке". Внутри невращаемой "антирадиационной покрышки" на небольшом от нее расстоянии может вращаться уже сам тор.

Для общего развития.
Так вы собираетесь их по Солнечной Системе запускать, от планетоидов, астероидов и Марса грузы на них возить.

[LonelyWanderer]

http://lib.sernam.ru/book_z_sopr.php?id=147 , страница 279.
Растягивающее напряжение в стальном кольце радиусом 50 см, вращающемся со скоростью 2500 оборотов в минуту равно 134 МПа.
Хороший примерчик, как раз эту цифру можно использовать как максимальную для стального цилиндра (из хороших сортов стали), т.к. нам нужен ещё запас прочности.
В формуле, которая есть в ссылке, напряжение квадратично зависит от угловой скорости вращения (оборотов в минуту) и от радиуса. Таким образом, если мы увеличим то кольцо в 4000 раз - с радиуса 0.5 метра до 2000 метров и уменьшим скорость вращения с 2500 до 0.625 оборотов в минуту мы получим те же 134 МПа.

Формула центростремительного ускорения:
a = v²/R,

где v - скорость движения по окружности;
R - радиус окружности.

Длина окружности:

С= 2 * Пи * R

Длина окружности = 12560 метров.

0.625 оборотов в минуту есть 12560*0.625/60 = 130.8 м/с движения по окружности.
Кстати такая же линейная скорость вращения в 130.8 м/с и у маленького колечка из примера.

Ускорение:
а = 130.8²/2000 = 8.55 м/с². Чуть меньше венерианского, сойдёт.

Но, если у нас толщина стальной стенки будет 1 метр, и весить 1 кв.м будет при этом около 7 тонн, то ещё 5 тонн нужно добавить на внутреннее атмосферное давление в 0.5 бар, и только за счёт этого напряжение в цилиндре вырастет до 200 МПа. А как же полезная нагрузка? Здания, огороды, яблоневые сады?  Цилиндр диаметром в 4000 метров будет практически на пределе до своего разрыва.

Можно сделать не 1 метр толщину стальной стенки, а 3, 4 метра, или все 10 метров, чтобы максимально приблизить напряжение до исходных 134 МПа. Но что это за вундерваффе получается?
Или же уменьшить радиус в несколько раз - до нескольких сотен метров.
Скажем, если радиус будет не 2000 метров, а всего 200 метров, то пустотелый цилиндр без атмосферы будет испытывать нагрузку уже до вменяемых 13.4 МПа, а с атмосферой - около 20 МПа. И со всякой полезной нагрузкой - в районе 25-30 МПа. И это при условии стальных стен почти метровой толщины. Естественно, если они будут тоньше, то эти цифры круто возрастут и цилиндр станет опасным для жизни.

Таким образом реальные диаметры таких цилиндров вряд-ли могут превышать 1 километра. А вероятнее (из-за материалоёмкости строительства таких толстых стен) - метров 300-400.

[Проходящий Кот]

Вращающиеся тонкие цилиндру внутри гигантской не вращающейся сферы со стенками в 10 м.

[LonelyWanderer]

Вращающиеся тонкие цилиндру внутри гигантской не вращающейся сферы со стенками в 10 м.

А какую функцию будет нести невращающяся оболочка? Атмосферу удерживать, передать на неё эту нагрузку? Так будет весьма существенное трение между двумя телами. А больше и не для чего.

[Проходящий Кот]

Ради радиации она.

[LonelyWanderer]

Ради радиации она.

А метровой толщины стальных стенок, плюс толщина полезной нагрузки - грунт, дорожное покрытие и т.д. - этого не хватит?

[crazy_terraformer]

А чтоб радиация вторичная в стенках не накапливалась. 

[crazy_terraformer]

Таким образом реальные диаметры таких цилиндров вряд-ли могут превышать 1 километра. А вероятнее (из-за материалоёмкости строительства таких толстых стен) - метров 300-400.

А если использовать не сталь, а композиты.
Композиты на основе арамидов, стекловолокна, углеродных волокон.Сталь использовать как защитную оболочку от воздействия воды, воздуха,света, экстремальных для композита температур и радиации.
Пока волокна из углеродных нанотрубок не созданы про них говорить рано.
 
Углеродное волокно.

Обычно углеродные волокна имеют прочность порядка 0,5—1 ГПа и модуль 20—70 ГПа, а подвергнутые ориентационной вытяжке — прочность 2,5—3,5 ГПа и модуль 200—450 ГПа. Благодаря низкой плотности (1,7—1,9 г/см³) по удельному значению (отношение прочности и модуля к плотности) механических свойств лучшие УВ превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы. Удельная прочность УВ уступает удельной прочности стекловолокна и арамидных волокон. На основе высокопрочных и высокомодульных УВ с использованием полимерных связующих получают конструкционные углеродопласты. Разработаны композиционные материалы на основе УВ и керамических связующих, УВ и углеродной матрицы, а также УВ и металлов, способные выдерживать более жёсткие температурные воздействия, чем обычные пластики.

[LonelyWanderer]

Ага, целый космический город изо всякого волокна, нано-трубок и прочей прелести Это уже в миллион раз сложнее, чем приспосабливаться-таки на планетах и астероидах.

[crazy_terraformer]

Ага, целый космический город изо всякого волокна, нано-трубок и прочей прелести Это уже в миллион раз сложнее, чем приспосабливаться-таки на планетах и астероидах.

Это наш ответ Чемберлену snickers'у.
N. B. камрад mbrane.- Эта адветъ товарисчу любителю чоколада.
 Чем будет торговать Марс с Луной?
 - Азотом для арамидного волокна и углеродом(синтетическими углеводородами) для углеродного волокна и тогда эти космополисы будут диаметром больше.

[snickers]

Но, если у нас толщина стальной стенки будет 1 метр, и весить 1 кв.м будет при этом около 7 тонн, .........................

Можно сделать не 1 метр толщину стальной стенки, а 3, 4 метра, или все 10 метров,

134 МПа - это что? Напряжение растягивающее для СТАЛИ. Но если делаем его из алюминиевого сплава? Масса будет меньше. Значит и напряжение.
 Кстати для тора предполагался материал алюминий (вернее сплавы). А это масса одного метра и не квадратного как у Вас а кубического 2,7  тонны всего. Это во первых. Во вторых нам нужно знать модуль упругости. Ну или модуль Юнга - это величина показывает сопротивление растяжению/сжатию. нам не столь важно растяжение сколь важно знать выдержит ли материал его.  Сравним сопротивление растяжению у стали и алюминия - > Вернее алюминиевого сплава и не цифры а картинку ибо на ней как то понятнее.

 Как видим ДО напряжения 200мПа что алюминиевые, что иные сплавы почти одинаково себя ведут.
А у Вас там какое напряжение - > 134 МПа??? Так зачем нам сталь???
Более того Вы напрочь забыли еще один факт --жесткость конструкционного элемента определяется как произведение модуля упругости материала и момента инерции сечения элемента (E × I) и именно от жесткости зависит прогиб элемента под воздействием изгибающей нагрузки. А это значит, что  алюминиевые ( стальные) профили могут иметь  сложные поперечные сечения и тем самым еще больше увеличить модуль упругости  конструкции. А в промежутках профиля оболочки можно как раз запихать что то технологическое, проводку там или еще что то.
 PS Я уже не говорю про то, что в Вашем примере кольцо стальное сверху и снизу. У нас же тор сверху будет из чего то прозрачного и более легкого. Это раз. Два это то, что верхняя часть тора как и верхняя часть атмосферы будет на сотню другую метров ближе у центру вращения и там будет уже не 1G а меньше. Значит и давление на нижнюю часть тоже меньше. Что уже не совпадает с приведенным примером и показывает, что нельзя тупо перенести размеры и данные на несколько раз больше/меньше.

[snickers]

Это наш ответ Чемберлену snickers'у.

Это чепуха зачем там нанотрубки какие то. Достаточно просто вспомнить про то, что конструкция может быть не монолитной а профильной и иметь ребра жесткости). Композиты конечно можно использовать для ребер жесткости например или уменьшения массы. Но это скорее как приятный бонус а не жесткая необходимость.

[noxx77]

Объясните тупому, зачем вращать радиозащиту и техядро? И-гравитационный объем можно ограничить лёгкими жилыми модулями в капсуле служебных.

[LonelyWanderer]

Но, если у нас толщина стальной стенки будет 1 метр, и весить 1 кв.м будет при этом около 7 тонн, .........................

Можно сделать не 1 метр толщину стальной стенки, а 3, 4 метра, или все 10 метров,

134 МПа - это что? Напряжение растягивающее для СТАЛИ. Но если делаем его из алюминиевого сплава? Масса будет меньше. Значит и напряжение.
 Кстати для тора предполагался материал алюминий (вернее сплавы). А это масса одного метра и не квадратного как у Вас а кубического 2,7  тонны всего. Это во первых. Во вторых нам нужно знать модуль упругости. Ну или модуль Юнга - это величина показывает сопротивление растяжению/сжатию. нам не столь важно растяжение сколь важно знать выдержит ли материал его.  Сравним сопротивление растяжению у стали и алюминия - > Вернее алюминиевого сплава и не цифры а картинку ибо на ней как то понятнее.

 Как видим ДО напряжения 200мПа что алюминиевые, что иные сплавы почти одинаково себя ведут.
А у Вас там какое напряжение - > 134 МПа??? Так зачем нам сталь???
Более того Вы напрочь забыли еще один факт --жесткость конструкционного элемента определяется как произведение модуля упругости материала и момента инерции сечения элемента (E × I) и именно от жесткости зависит прогиб элемента под воздействием изгибающей нагрузки. А это значит, что  алюминиевые ( стальные) профили могут иметь  сложные поперечные сечения и тем самым еще больше увеличить модуль упругости  конструкции. А в промежутках профиля оболочки можно как раз запихать что то технологическое, проводку там или еще что то.

Вы какие-то не те графики показываете, слишком упрощённые.
Вот прочные алюминиевые сплавы:
http://unienc.ru/encdata/296/images/aluminium_alloys.jpg
Прочность на растяжение - первая графа.
Как видно, прочность сильно меняется в зависимости от состава. Если вы хотите прочный алюминиевый сплав, то там будет высокое содержание в зависимости от марки меди, магния, хрома или цинка. И в какую цену, в какие затраты обойдётся создание такого космического города?
Да тогда, можно достигнуть 400-500 МПа.
Но вы опять забываете необходимый запас прочности. Люди должны там жить и бояться, что город может в любой момент разорвать в клочья? Запас прочности должен быть многократным. И очень желательно, чтобы нагрузки не превышали предел усталости, чтобы конструкция была достаточно долговечной.
Здесь предел усталости для некоторых марок в последней графе.

Например, у марки Д16, одной из наиболее широко распространённой среди алюминиевых сплавов, (и включающей себя медь 4-5%, а также магний, марганец и т.д.) предел усталости 120 МПа при запасе прочности 440 МПа.
Т.е. допустим можно создать достаточно надёжную алюминиевую конструкцию с нагрузкой, допустим, в половину от предела усталости - 60 МПа.

Тогда если экстраполировать прежде вычисленный стальной цилиндр по изменившейся плотности металла и на нагрузку в 60 МПа:

Плотность: 7.8/2.8 = 2.786

~30 МПа для стального цилиндра, заполненного атмосферой в 0.5 бар и с полезной нагрузкой, радиусом 200 метров переводим в алюминиевый сплав:

60/30 = 2.

Итого, 2*2.786 * 200 метров = 1114 метров. Или более 2-х километров диаметра.

Да, и важный момент, т.к. тогда я считал для метрового слоя стали, который будет выдерживать атмосферное давление и полезную нагрузку, то и здесь нужно иметь пропорциональную массу алюминиевого сплава  - т.е. слой 2.786 метра  Иначе снова придётся скукоживать размеры города до сотен метров.

Т.е. это возможно в принципе, но не на практике. Такое огромное количество алюминия, меди, магния и прочих дорогих металлов вылетит в такую копеечку, которой хватило бы колонизировать каждый квадратный сантиметр Марса.

PS Я уже не говорю про то, что в Вашем примере кольцо стальное сверху и снизу. У нас же тор сверху будет из чего то прозрачного и более легкого. Это раз. Два это то, что верхняя часть тора как и верхняя часть атмосферы будет на сотню другую метров ближе у центру вращения и там будет уже не 1G а меньше. Значит и давление на нижнюю часть тоже меньше. Что уже не совпадает с приведенным примером и показывает, что нельзя тупо перенести размеры и данные на несколько раз больше/меньше.

А данное обстоятельство малозначительно, т.к. не избавляет от требований к прочности дальней от оси вращения части тора.

[LonelyWanderer]

Вобщем алюминий - это бред

Если подробнее вернуться к стали, то, может быть, всё не так печально.

Вот неплохой ресурс по маркам стали:

http://sprav-constr.ru/html/tom1/pages/chapter1/ckm17.html
Состав каждой марки стали можно загуглить.

Вот, например, самая прочная сталь из перечня - ШХ15, с прочностью аж в 2200 МПа и может достигать 2550 МПа.
Подробнее о марке стали:
http://metallicheckiy-portal.ru/marki_metallov/stk/SHX15
Допустимый статический предел выносливости - 740-804 МПа..
В состав входит такой дорогой металл, как хром - 1.5%. А также медь, марганец, никель и другие.

Если найти такое необъятное количество хрома, и рассчитывать на нагрузку, допустим, в половину от допустимого предела выносливости - в 300 МПа, то да, можно построить станцию диаметром в 4 километра.

Ну и для каждой марки стали можно посчитать возможные размеры города, подобрав более дешёвые сплавы.

[snickers]

Да, и важный момент, т.к. тогда я считал для метрового слоя стали,

Важный момент то, что Вы опять упорно считаете оболочку тора монолитной. И абсолютно игнорируете вышеприведенный мною факт ->  алюминиевые ( стальные) профили могут иметь  сложные поперечные сечения и тем самым еще больше увеличить модуль упругости  конструкции. Мы не будем делать внешнюю стенку МОНОЛИТОМ, она будет из ПРОФИЛЯ. Какой именно это решать инженерам, но общая тенденция в том, что это повысить прочность станции. Так что спокойно помножьте свой результат раза в полтора). Это грубо среднее значение на которое оно повыситься, точно сказать не могу так как хз какие профили и какие там будут сплавы.
 На счет --

Такое огромное количество алюминия, меди, магния и прочих дорогих металлов вылетит в такую копеечку, которой хватило бы колонизировать каждый квадратный сантиметр Марса.

Давайте разберемся, что нам на первое время надо на Марсе? Правильно жилье. Из чего мы его построим? Из металлов скорее всего. То есть практически тот же тор только  положенный на поверхности Марса. Мы его можем делать тоньше но не стоит забывать, нам надо чем то "замостить дно" этого уже скорее кольца, и что то пустить на купол. Можно попытаться построить из бетона но где его взять?  Тот же цемент например это гипс и клинкер. Если гипс еще вроде на Марсе есть то клинкер получают путем обжига. Даже не говоря сколько на это пойдет энергии и кислорода хотелось задать вопрос - а что дешевле построить тор или только одну печь на Марсе для обжига?
 Сравним ресурсы Марса и Луны, вернее средний состав того, что марсоходы/луноходы успели наколупать на поверхности.
Вот Луна - кислород (40%), кремний (20%), железо (5—10%), алюминий (10%), кальций (10%),  титан (3%)  магний (5%).
Вот Марс - кремнезём (20—25%), где  оксидов железа (до 15%) кремний (20%),  железо (12%), алюминий и магний (3-5%).
Как видим в плане алюминия круче Луна а железа Марс. Но есть нюансы. Как я писал выше  Совесткая Луна-20 обнаружила в поверхностном слое Луны самородные зерна алюминия. То есть его надо просто разогреть до температуры плавления и слиток в принципе готов. А как добывают железо? На земле это доменные печи. Будете строить такую печь на Марсе? А кокс флюс и кислород повезем с Земли?
 ................................
Вывод прост при наличие  ресурсов на Марсе и Луне космическое поселение построить на орбите Луны из алюминиевых сплавов намного проще, чем  построить поселение на поверхности Марса. Алюминий на Марсе более разрежен и добыча его сложнее. Хоть на Марсе и есть необходимые компоненты для производства цемента и кирпича но постройка мощностей по их добыче может обойтись дороже самого поселения. Ну а железо - остается непонятен вопрос по его промышленной добыче..

[LonelyWanderer]

Да причём тут модуль упругости? Нам важен предел прочности на растяжение, т.к. все основные нагрузки будут именно на растяжение - внешний периметр станции, который будет представлять собой цилиндр, или кольцо, где будет наибольшее центростремительное ускорение будет испытывать только растяжение и ничего более. И тут не важен профиль. Упругость нужно рассчитывать для изгибающих напряжений, а не растягивающих, а максимальные размеры станции зависят только от того, как сможет выдержать материал усилие на растяжение, а не на изгиб.

Давайте разберемся, что нам на первое время надо на Марсе? Правильно жилье. Из чего мы его построим? Из металлов скорее всего. То есть практически тот же тор только  положенный на поверхности Марса. Мы его можем делать тоньше но не стоит забывать, нам надо чем то "замостить дно" этого уже скорее кольца, и что то пустить на купол. Можно попытаться построить из бетона но где его взять?  Тот же цемент например это гипс и клинкер. Если гипс еще вроде на Марсе есть то клинкер получают путем обжига. Даже не говоря сколько на это пойдет энергии и кислорода хотелось задать вопрос - а что дешевле построить тор или только одну печь на Марсе для обжига?
 Сравним ресурсы Марса и Луны, вернее средний состав того, что марсоходы/луноходы успели наколупать на поверхности.
Вот Луна - кислород (40%), кремний (20%), железо (5—10%), алюминий (10%), кальций (10%),  титан (3%)  магний (5%).
Вот Марс - кремнезём (20—25%), где  оксидов железа (до 15%) кремний (20%),  железо (12%), алюминий и магний (3-5%).
Как видим в плане алюминия круче Луна а железа Марс. Но есть нюансы. Как я писал выше  Совесткая Луна-20 обнаружила в поверхностном слое Луны самородные зерна алюминия. То есть его надо просто разогреть до температуры плавления и слиток в принципе готов. А как добывают железо? На земле это доменные печи. Будете строить такую печь на Марсе? А кокс флюс и кислород повезем с Земли?
 ................................
Вывод прост при наличие  ресурсов на Марсе и Луне космическое поселение построить на орбите Луны из алюминиевых сплавов намного проще, чем  построить поселение на поверхности Марса. Алюминий на Марсе более разрежен и добыча его сложнее. Хоть на Марсе и есть необходимые компоненты для производства цемента и кирпича но постройка мощностей по их добыче может обойтись дороже самого поселения. Ну а железо - остается непонятен вопрос по его промышленной добыче..

Зачем тор на Марсе? Мы же не говорим о придании там дополнительной гравитации. А строить жильё на Марсе под поверхностью не так и материалоёмко. Тут уже предлагалось масса способов, как, например, использование естественных пещер. Я предлагал выкапывать искуственные помещения на глубине, потом просто герметизировать стенки каким-нибудь плёночным или листовым материалом, который может быть весьма тонок и нематериалоёмок,т.к. будет опираться на стенки, подобно автомобильной камере на шину. Достаточно листов стали в 1 мм толщины. Самой дешёвой марки без хрома, марганца, никеля и прочей дорогой беды.